康 煒

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司橋隧處,西安 710043)

1 工程背景

大同至西安客運專線在陜西合陽與山西永濟(jì)交界處跨越黃河，線路受總體走向及軍事靶區(qū)限制，穿越了黃河濕地自然保護(hù)區(qū)，經(jīng)仔細(xì)對比選線，現(xiàn)線路繞避了重點保護(hù)鳥類的棲息地，選擇影響較小的生態(tài)農(nóng)莊區(qū)通過，對景區(qū)影響降至最低。橋址處地形平坦，地勢開闊，河道寬近10 km，河床寬淺，主河槽寬約3.3 km。東西岸位于黃河三級階地上，高差約為50 m。橋梁大部分坐落于黃河一級階地、漫灘及河床區(qū)，穿越大片黃河濕地。該河段屬淤積性游蕩型河道，橋位處設(shè)計流量Q1%=24 318 m3/s，檢算流量Q0.33%=29 216 m3/s。橋位處年平均氣溫13.7 ℃，最熱月平均氣溫26.1 ℃，最冷月平均氣溫-1.2 ℃，年平均濕度64%。地層主要以粉細(xì)砂為主，地震動峰值加速度值采用0.20g，地震動反應(yīng)譜特征周期采用0.35 s【1】。

根據(jù)黃河水利委員會確定的主要控制指標(biāo)要求：主河槽范圍DK704+160～DK707+400橋跨不小于100 m，其他灘地橋跨不小于40 m。據(jù)此主橋跨度按不小于108 m、引橋跨度不小于48 m設(shè)計。另據(jù)林業(yè)部門長期觀測，景區(qū)內(nèi)鳥類棲息、覓食等活動時飛行高度30 m以下，遷徙時飛行高度100 m以上，故橋下最小凈空需35 m左右，橋梁高度控制在45～50 m[2]。

2 梁桁組合結(jié)構(gòu)在本橋應(yīng)用的合理性分析

考慮到線路所經(jīng)位置的特殊性，橋梁結(jié)構(gòu)宜采用對景區(qū)影響較小的結(jié)構(gòu)。鋼梁運營期噪聲大、后期養(yǎng)護(hù)活動對景區(qū)影響大，為此橋梁結(jié)構(gòu)采用剛度大、動力性能好、線路平順、噪聲小、對周圍環(huán)境尤其對鳥類干擾較小的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。若采用連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)，則主跨達(dá)180 m，由于大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)后期徐變變形大，且形成了“小、大、小”的布局，景觀效果差，與周圍黃河濕地自然風(fēng)景不協(xié)調(diào)，綜合考慮高地震區(qū)、工程造價、景觀效果等因素，已不盡合理。考慮到橋位處主河槽寬闊的特點，結(jié)合黃河水利委員會要求、景觀設(shè)計，橋型宜采用自重較輕的鋼混組合結(jié)構(gòu)，橋式選擇的總體思路為等跨或跨度差異較小的結(jié)構(gòu)。另外橋梁穿越洽川黃河濕地景區(qū)，橋梁形式應(yīng)充分考慮景觀效果，在空曠的河道內(nèi)，橋梁結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境而言相對較小，橋梁應(yīng)突顯整體輪廓美，故橋梁跨度無需太大?；谏鲜龇治?，主橋按表1中所述4種橋型方案進(jìn)行了比較分析[5-6，9-10]。

表1 4種橋型方案比較

從表1可知，主橋選用技術(shù)先進(jìn)、造型新穎、結(jié)構(gòu)合理、施工時河道內(nèi)無需臨時墩、投資較省、各項指標(biāo)均較好的方案一2×108 m單T剛構(gòu)梁桁組合結(jié)構(gòu)。

3 設(shè)置加勁鋼桁的必要性

高速鐵路對軌道平順度要求非?？量?。由于無砟軌道的可調(diào)整量非常小，這就對橋梁的剛度及附加變形控制提出了更高的要求。對橋梁結(jié)構(gòu)而言，比較突出的問題有兩點：一是溫度引起的附加變形和徐變變形的控制；二是盡可能保證剛度分布均勻。梁桁組合結(jié)構(gòu)是一種新型橋梁結(jié)構(gòu)形式，能有效解決該問題，國外已建成多座實橋，但在國內(nèi)尚處于研究、發(fā)展、豐富階段。隨著我國橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的日臻完善及施工工藝的提高，梁桁組合結(jié)構(gòu)橋梁的研究在國內(nèi)逐漸開展起來。

本橋位于8度地震區(qū)，若采用單T剛構(gòu)形式，為滿足高速列車對梁端轉(zhuǎn)角、梁體變形的要求，需增加梁端梁高至6.5 m以適應(yīng)軌道平順性及行車舒適性，由此帶來梁部圬工大幅增加，同時帶來大懸臂施工過程梁體鋼束配置困難，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)地震力增大，需加強工程下部結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用鋼桁對梁體進(jìn)行加勁后，能降低梁端梁高至5.0 m，減輕了梁體自重，減小了結(jié)構(gòu)地震力，從而亦降低了下部結(jié)構(gòu)和大懸臂懸灌施工的設(shè)計難度。加勁鋼桁對梁體剛度較弱的部位進(jìn)行了加強，使整個橋梁結(jié)構(gòu)的豎向剛度分布更加均勻，同時在降低梁高的基礎(chǔ)上提高了梁體剛度，改善了梁端轉(zhuǎn)角，適應(yīng)了高速列車對梁體的要求。

4 橋梁設(shè)計概況[5-6]

4.1 主橋孔跨布置

根據(jù)主河槽范圍，主橋孔跨布置為15-(2×108 m)單T剛構(gòu)加勁鋼桁組合結(jié)構(gòu)(圖1)。

圖1 總體布置(單位：cm)

4.2 主梁

主梁采用單箱、雙室、直腹板、變高度箱形截面，為縱、豎向預(yù)應(yīng)力體系。箱梁支點梁高12.5 m，端部梁高5.0 m，主梁在距梁端40 m范圍內(nèi)采用等高，其他范圍內(nèi)為變梁高段落，梁底采用1.8次拋物線；箱頂寬13.8 m，底寬11.5 m。見圖2。

圖2 主梁1/2斷面(單位：mm)

4.3 加勁鋼桁

加勁鋼桁采用無豎桿三角形桁架，主桁距梁端2.75 m，加勁長度60 m，桁間距11.0 m，桁高9.35 m，節(jié)間長度12.0 m。上弦桿采用槽形截面，桿件內(nèi)填充C55混凝土，端斜桿、次端斜桿采用0.8 m(寬)×0.6 m(高)箱形截面，腹桿采用0.8 m(高)×0.6 m(寬)“H”形截面。

4.4 節(jié)點構(gòu)造

由于加勁桁是在主梁合龍完成后再行架設(shè)，故其主要承擔(dān)二期恒載及活載，所占荷載比例較小。根據(jù)主桁桿件受力不同，各節(jié)點采用不同形式，上弦端節(jié)點采用整體節(jié)點，下弦節(jié)點采用散裝節(jié)點，上弦中節(jié)點采用插入式焊接節(jié)點。

4.5 下部結(jié)構(gòu)

剛構(gòu)主墩采用(縱向)8 m×(橫向)11.5 m的圓端形空心橋墩，基礎(chǔ)采用24 m×29.2 m×5 m鋼筋混凝土承臺，30根φ2.0 m的鉆孔灌注樁，樁長92 m。邊墩采用(縱向)7.0 m×(橫向)11.0 m的圓端形空心墩，基礎(chǔ)采用17.8 m×21 m×4 m鋼筋混凝土承臺，18根φ1.8 m的鉆孔灌注樁，樁長80 m。

5 設(shè)計難點分析

5.1 主梁梁高

由于本橋橋高50 m左右，且主河槽內(nèi)無法搭設(shè)現(xiàn)澆支架，故主梁懸臂灌注長度達(dá)104 m，主梁梁高主要受施工控制，在滿足運營階段各項要求的前提下，結(jié)合加勁鋼桁設(shè)置情況及對施工方案的調(diào)整進(jìn)行了不同梁高的比較分析。3種方案梁高比較見表2。

表2 梁高比較

根據(jù)比較結(jié)果，梁高最終確定為支點12.5 m，梁端5.0 m，等高梁段長40 m。

5.2 加勁鋼桁

由于橋梁按先梁后桁施工順序，故加勁鋼桁主要承擔(dān)二期恒載、活載及后期收縮徐變作用引起的荷載。為取得加勁鋼桁對主梁剛度的合理分配，分別就加勁桁桁高、加勁長度、鋼桁距梁端的距離對梁端轉(zhuǎn)角、用鋼量的影響作了對比分析，分析結(jié)果見表3[6]。

根據(jù)比較結(jié)果，結(jié)合具體構(gòu)造，桁高采用9.35 m，橋面以上8.66 m，設(shè)置長度60 m(節(jié)間長度12 m)，距梁端的距離2.75 m。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了鋼桁受力分析，各桿件受力結(jié)果及所選截面形式見圖3。

從圖3中可知，上弦桿均為受壓桿件，由此對其進(jìn)行了鋼混組合截面與鋼箱截面的對比分析，從表4對比結(jié)果看，在梁端轉(zhuǎn)角基本相等的情況下，鋼箱截面用鋼量增加113%，經(jīng)濟(jì)性較差，為充分發(fā)揮混凝土受壓性能好的特點，結(jié)合施工方便性，上弦桿采用鋼混組合截面。組合截面中鋼箱若采用全封閉截面，由于桿件位于高空且水平設(shè)置，造成混凝土施工困難，且難以填充密實，無法保證二者的共同受力，采用“U”形截面，鋼槽既可作為混凝土施工的模板，又可作為后期受力的構(gòu)件，同時又節(jié)省了用鋼量。為使組合截面共同受力，二者的可靠連接設(shè)計是關(guān)鍵，在“U”形鋼槽內(nèi)加設(shè)剪力釘及普通鋼筋連接，同時為防止混凝土澆筑時“U”形鋼槽截面開裂，在截面頂每隔1 m加設(shè)20 cm寬鋼板條進(jìn)行橫向連接，混凝土澆筑時在截面頂部形成凸面，視其后期收縮情況在頂面做好防水措施。

表3 加勁鋼桁參數(shù)比較

圖3 加勁鋼桁桿件受力及設(shè)計

截面類型梁端轉(zhuǎn)角/‰用鋼量/(t/m)鋼混組合截面0.8221.19鋼箱截面0.8262.54

5.3 梁桁連接節(jié)點設(shè)計[3-4]

圖4 鋼桁與主梁連接構(gòu)造(單位：mm)

5.3.1 梁桁連接節(jié)點設(shè)計

加勁鋼桁與主梁的可靠連接是保證二者共同受力的前提。PBL鍵具有抗剪剛度大，承載力高，疲勞強度高，延性好等優(yōu)點，可使型鋼和混凝土2種不同材料協(xié)同工作。節(jié)點處主要承受抗剪、抗拔作用，結(jié)合橋梁構(gòu)造，連接方式采用PBL鍵與錨筋組合錨固的方案，PBL鍵為主要受力連接構(gòu)件，錨筋作為構(gòu)造安全儲備。目前各國均無對開孔鋼板的抗剪承載力做出明確規(guī)定，現(xiàn)有的計算方法均基于試驗提出的經(jīng)驗公式。檢算內(nèi)容主要為混凝土的剪切破壞、孔間鋼板的剪切破壞，檢算方法分別按照是否考慮橫穿鋼筋影響進(jìn)行檢算，不考慮橫穿鋼筋時采用Leonhardt公式，考慮橫穿鋼筋時采用Hosaka公式，孔間鋼板的剪切按照EuroCode4公式計算，按照上述計算方法結(jié)合節(jié)點構(gòu)造，每個節(jié)點采用42根PBL鍵，PBL鍵孔徑65 mm，孔距150 mm×200 mm，橫穿鋼筋直徑22 mm，最頂排孔距梁頂?shù)木嚯x不小于200 mm，錨筋的設(shè)計根據(jù)節(jié)點及箱梁構(gòu)造控制，共設(shè)置φ32 mm的錨筋24根，詳見圖4。

節(jié)點區(qū)域受力復(fù)雜，為掌握節(jié)點受力機理，進(jìn)行了節(jié)點非線性有限元分析及1∶2縮尺模型的破壞性試驗研究。節(jié)點處水平荷載主要靠PBL剪力鍵承擔(dān)，而在試驗中很難測試PBL剪力鍵的應(yīng)變，一般常用的方法是測定PBL剪力鍵的相對滑移量，得到其荷載-位移曲線來獲取其承載能力特性。從節(jié)點破壞試驗中測試結(jié)果數(shù)據(jù)中看，其相對滑移量非常之小，幾乎可以認(rèn)定混凝土與鋼節(jié)點板沒有發(fā)生滑移，從而證明PBL剪力鍵具有足夠的抗剪承載力。為得到PBL剪力鍵的抗拔承載能力特性，進(jìn)行了單板拔出試驗，試驗結(jié)果表明第一排PBL剪力鍵的埋置深度對于PBL剪力鍵的極限承載力影響很大，在設(shè)計中第一排PBL鍵距混凝土表面距離應(yīng)不小于20 cm，且應(yīng)適當(dāng)設(shè)置防崩鋼筋進(jìn)行加強；鋼板與混凝土之間的粘結(jié)力與機械咬合力對剪力鍵的彈性極限承載力影響不大，在實際設(shè)計中，將其用作安全儲備；PBL剪力鍵的鋼板孔與橫穿鋼筋間要有足夠空間，保證混凝土粗骨料進(jìn)入良好。

5.3.2 鋼桁上節(jié)點設(shè)計(圖5)

根據(jù)計算結(jié)果，除端腹桿及次端腹桿外，中間腹桿受力均較小，故中間上節(jié)點采用插入式焊接節(jié)點。若上節(jié)點全部采用栓接節(jié)點，由于主梁變形及施工誤差會導(dǎo)致螺栓孔無法完整對位，給主梁合龍后桿件安裝帶來極大的困難，必須進(jìn)行現(xiàn)場螺栓孔沖孔工作。該項工作現(xiàn)場高空作業(yè)難度相當(dāng)大，為避免大面積現(xiàn)場螺栓沖孔工作，上節(jié)點采用了插入式焊接節(jié)點。該節(jié)點腹桿插入上弦桿內(nèi)，通過腹桿翼緣板與上弦桿腹板相焊接傳遞受力，為保證節(jié)點的可靠連接，在節(jié)點范圍內(nèi)增加加勁鋼板肋，以增加與混凝土的接觸面積。該節(jié)點處理方式在兩腹桿間設(shè)置6 cm間隙及腹桿頂至上弦桿頂面預(yù)留5 cm空間，一定程度上解決了由于主梁變形及施工誤差引起的桿件安裝困難問題，節(jié)點施工既可在工廠加工完成后腹桿現(xiàn)場對焊，也可在現(xiàn)場進(jìn)行節(jié)點焊接施工，通過目前現(xiàn)場施工情況來看，進(jìn)展情況均較為順利。

圖5 上節(jié)點構(gòu)造(單位：mm)

5.4 鋼桁安裝精度控制

鋼桁加工及安裝精度要求與混凝土梁驗收標(biāo)準(zhǔn)有較大差距，由于施工順序為先梁后桁，在主梁懸灌階段需埋設(shè)下節(jié)點，如何保證節(jié)點的準(zhǔn)確預(yù)埋及后期桿件的安裝成關(guān)鍵控制點，為此進(jìn)行了專項研究。安裝具體措施為，在已澆筑梁段的兩外側(cè)腹板頂面節(jié)點板兩側(cè)位置處預(yù)先安放2根I40a型鋼，并采取豎向I14a型鋼+精軋螺紋鋼進(jìn)行反壓、與梁面預(yù)埋鋼筋焊接、前端利用1根I40a型鋼進(jìn)行橫向焊接等措施，使其形成一個剛性較大的懸挑式固定結(jié)構(gòu)作為下節(jié)點板調(diào)節(jié)時的依靠。待下一節(jié)段的鋼筋綁扎就位后，依次安裝節(jié)點板，利用精軋螺紋鋼和橫向螺栓等調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)下節(jié)點板三維位置，直至滿足要求后澆筑混凝土，見圖6。由于梁桁組合結(jié)構(gòu)尚無成熟的驗收標(biāo)準(zhǔn)，二者結(jié)合部位的驗收根據(jù)設(shè)計情況按表5執(zhí)行。表6為主梁合龍節(jié)點實測值。

圖6 下節(jié)點預(yù)埋方案

項目允許偏差相鄰兩預(yù)埋節(jié)點的縱向位置/mm±30相鄰兩預(yù)埋節(jié)點的橫向偏差/mm8預(yù)埋節(jié)點的豎向高程差值/mm50預(yù)埋節(jié)點平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)角≤1/450預(yù)埋節(jié)點的扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)角≤1/700左右兩片桁整體縱向位置/mm15左右兩片桁整體豎向差值/mm20

表6 主梁合龍節(jié)點實測值 mm

通過節(jié)點設(shè)計、安裝方案等多方面綜合控制，從表6實測結(jié)果來看，該預(yù)埋安裝方案基本可滿足設(shè)計要求，最終桿件的安裝按節(jié)點最低高程控制。由于設(shè)計時橋面限界留有富余值，腹桿長度均按正誤差處理，在現(xiàn)場進(jìn)行局部切割安裝，從目前現(xiàn)場實施情況來看，安裝方案有效可行，對實測情況反向進(jìn)行計算驗證，與原設(shè)計差距微小，屬可控誤差范圍之內(nèi)。

6 結(jié)語

大西客運專線晉陜黃河大橋主橋采用2×108 m單T剛構(gòu)加勁鋼桁組合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)滿足黃河水利委員會3 km多主河槽內(nèi)凈跨不小于100 m的規(guī)定，實現(xiàn)了主橋3 km以上范圍等跨布置的要求，景觀效果良好；滿足軌道結(jié)構(gòu)對橋梁溫度聯(lián)長的控制要求，避免了溫度調(diào)節(jié)器的使用；加勁鋼桁有效改善梁端轉(zhuǎn)角及徐變上拱值，保證了無砟軌道結(jié)構(gòu)的平順性；主梁結(jié)構(gòu)高度減小極大地改善了地震效應(yīng)；主梁大懸臂法施工無需在主河道搭設(shè)支架或臨時支墩降低了施工難度；該結(jié)構(gòu)完全適用于高速鐵路橋梁，在高速鐵路需多跨且等跨跨越的河流及需大跨跨越且結(jié)構(gòu)高度受限的環(huán)境中有較為明顯的優(yōu)勢。

[1] 中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.新建鐵路大同至西安線初步設(shè)計《晉陜黃河特大橋》專題報告[Z].西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2010．

[2] 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司.新建鐵路大同至西安客運專線黃河特大橋防洪評價報告[Z].鄭州：黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，2010．

[3] 聶建國.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)原理與實例[M].北京：科學(xué)出版社，2009．

[4] 徐強，萬水，等.波形鋼腹板PC組合箱梁橋設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2009.

[5] 康煒.大西客運專線晉陜黃河特大橋主橋橋式方案比選[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011(S)：52-57．

[6] 康煒.大西客運專線晉陜黃河特大橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011(S)：58-60．

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005．

[8] 中華人民共和國鐵道部.TB 10020—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2009．

[9] 嚴(yán)國敏.現(xiàn)代斜拉橋[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2000．

[10] 金成棣.預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合橋梁——設(shè)計研究與實踐[M].北京：人民交通出版社，2001.